ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐINH XUÂN DƯ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ PHI TUYẾN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công.

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Chí
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 13 h30 ngày 24 tháng 8 năm 2014.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều
khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều
kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp
ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện
đại. Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu
ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến.
Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như
mong muốn.

b. Ý nghĩa thực tiễn:
Trong luận văn này tác giả đã xây dựng bộ điều khiển
dựa trên luật thích nghi và mạng neuron để điều khiển hệ
Ball and beam. Qua thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ
cơ chế thích nghi thực hiện bám tín hiệu đặt là tốt. Bộ điều
khiển này rất linh hoạt và có nhiều ưu điểm hơn so với các
2
bộ điều khiển kinh điển khác áp dụng cho điều khiển hệ ball
and beam.
3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VIÊN BI
CÁNH TAY ĐÒN (BALL AND BEAM)
Giới thiệu một số mô hình của hệ thống Ball and
Beam
Giới thiệu mô hình Ball and Beam
Mô hình “ball and beam” thường dùng trong phòng
thí nghiệm của các trường đại học. Mô hình bao gồm một
thanh nằm ngang (được gọi là beam), một quả bóng (ball),
một động cơ DC, cảm biến đọc vị trí quả bóng và cảm biến
xác định góc nghiêng của thanh.
- Thanh nằm ngang (beam), thường có độ dài trong
khoảng [0.5 , 1.0] met. Chất liệu của thanh được làm
bằng nhựa hoặc, nhôm, gỗ.
- Quả bóng (ball), hình tròn, trọng lượng trong khoảng
[100g , 250g]. Quả bóng thường được thay thế bằng
viên bi sắt nhỏ, hay bi nhựa. Bề mặt nhẵn, khi chuyển
động ma sát phải rất nhỏ (có thể bỏ qua được).
4
- Để xác định vị trí quả bóng người ra thường dùng
cảm biến khoảng cách, cảm biến độ dịch chuyển.

Ball and
Beam
System
Motor
PID
Control
er
Motor
(
-
)
(
-
)
Vị trí
setpoi
nt
Vị trí
e(t)
( )
*
t
q
( )
t
q
Điều khiển góc quay động cơ
Ta đưa ra mô hình điều khiển với phản hồi vị trí
và tốc độ
Ta có:

q
w
zw w
q
=
+ +

Cân bằng ta có:

2
n
p
m
K
a
w
=

2
n m
D
m
b
K
a
zw
-
=
=

2
29.61
1
n
p
t
p
w
z
= =Þ
-

Điều khiển vị trí bóng(ball)
Để thiết kế bộ điều khiển vị trí bóng, ta đưa vòng điều
khiển góc quay motor vào trong vòng điều khiển vị trí bóng
như sau:
Hình 1.14. Sơ đồ điều khiển vị trí bóng
Kết luận
Chương 1 đã trình bày cấu tạo hệ thống Ball and
Beam, và đưa ra các công trình nghiên cứu đã thực hiện, từ
đó nhận xét và đưa ra các ưu điểm và nhược điểm của hệ.
Đồng thời, đã xây dựng được mô hình toán học tổng
quát cho hệ thống như công thức (1.16)m và tiến hành đi
tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc để thu được mô
11
hình (1.27 - 1.30). Sau đó chỉ ra được các yêu cầu cụ thể để
điều khiển bám cho hệ thống, và trình bày cách thiết kế bộ
điều khiển PID kinh điển.

~
u
A
µ
: u ∈ U}.
(iii) Tập mờ chuẩn (normal): Tập mờ A~ được gọi là
chuẩn nếu hight(A~) = 1. Trái lại, tập mờ được gọi là dưới
chuẩn (subnormal).
(iv) Lõi của tập mờ: Lõi của tập mờ A~, ký hiệu là
Core(A~), là một tập con của U được xác định như sau:
Core(A~) = {u ∈ U:
)(
~
u
A
µ
=
hight(A~)}.
2.2.4 Các phép toán trên tập mờ không cùng tập nền [4]
a. Phép giao hai tập mờ
12
13
2.5. Giải mờ
Định nghĩa: Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y’
nào đó có thể chập nhận được q
Có hai phương pháp giải mờ chính:
 Phương pháp điểm trọng tâm
 Phương pháp điểm trọng tâm cho luật
Sum – Min
 Phương pháp độ cao

(2.14)
Nguyên lý cận trái: Giá trị rõ y’ được lấy bằng cận trái y
1
của G. Giá trị này phụ thuộc tuyến tính vào đáp ứng của luật
điều khiển.
1
' inf ( )
y G
y y y
∈
= =

(2.15)
Nguyên lý cận phải: Giá trị rõ y’ được lấy bằng cận phải y
2

của G
2
' sup( )
y G
y y y
∈
= =
(2.16)
2.5.2. Phương pháp điểm trọng tâm
15
Phương pháp điểm trọng tâm cho kết quả y’ là hoành độ
của điểm trọng tâm miền được bao phủ bởi trục hoành và
đường µ
B’

Các tập mờ đầu ra Bpq được định nghĩa dạng Singleton
(hàm Kronecker ) tại điểm :
ypq= g(epq) với
1
pq
2
e
 
=
 ÷
 ÷
 
p
p
e
e
Hình 2.15: Tập các hàm liên thuộc các tập mờ đầu vào (i =
1;2)
2.6.2. Bộ điều khiển mờ động
Bộ điều khiển mờ động là những bộ điều khiển phối
hợp giữa hệ kinh điển (các khâu P, I, D) với hệ mờ.
Mô hình điều khiển mờ động sử dụng phối hợp các khâu
PID.
Sự biến đổi tín hiệu sai lệch đầu vào ET theo thời gian
có thể xác định bằng đạo hàm của sai lệch. Đạo hàm DET
được lấy từ đầu của khâu D kinh điển giúp cho bộ điều khiển
phản ứng kịp thời với các biến động đột suất cả các đối
tượng. Với luật điều khiển tích phân hệ thống có khả năng
đạt sai lệch tĩnh bằng không, hay nói một cách khác, hệ
1

D
2
Thiết bị đo
x
1
ET
2
DET
1
ET
1
x
2
DET
2
(-)
(-)
18
mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác
nhau.
Mô hình điều khiển theo luật I được mắc ở đầu ra như
sau:
Hình 2.17: Mô hình điều khiển mờ theo luật I
Bộ điều khiển mờ theo luật PI
Thiết bị
hợp thành
và giải mờ
Luật hợp thành
Fuzzy hóa I Đối tượng
Nhiễu

x
DET
ET
P
(-)
20
Cuổi cùng, cách thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh và mờ
động cho từng trường hợp cũng được trình bày theo các
bước tường minh rõ ràng.
CHƯƠNG 3:MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày theo cách chọn
dạng hàm liên thuộc và tự động thay đổi các đỉn của hàm
thuộc: Thay đổi các đỉnh của hàm thuộc đầu vào dựa trên sự
chỉnh định của mạng neural và chỉnh định giá trị của hàm
thuộc đầu ra bằng bộ điều khiển thích nghi trực tiế
3.1. Bộ điều khiển mờ nơron với các luật mờ duy nhất
Bộ điều khiển mờ nơron với các luật mờ duy nhất (
Neural Fuzzy Controllers with fuzzy singleton rules), hình
3.1 , có dạng sau đây.
21
Hình 3.1
Kích thước robot hai bánh tự cân bằng
3.4. Áp dụng các phương pháp để nâng cao chất lượng
cho bộ điều khiển mờ
3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ động
Bước 1: Chọn miền giá trị đầu vào và đầu ra
- Ta chọn bộ điều khiển mờ động dạng PD – Fuzzy
o Đầu vào 1: Sai lệch giữa tín hiệu đặt và đầu ra
( )

, , , ,u t OA N OA OZ OD ODN=
Trong đó:
 AN: Âm nhiều
 A: Âm
 Z: Không
 D: Dương
 DN: Dương Nhiều
 1,2: Tương ứng số đầu vào
 O: Output – Đầu ra
23